基于JMAG軟件的永磁電機仿真分析

曾國輝 孫北能 羅一聰

【摘 ?要】JMAG是一款功能齊全、應用廣泛的電磁場分析軟件，可以對不同領域的不同電機、電磁設備進行精確的電磁場分析，這里主要介紹JMAG軟件對永磁電機的結構分析，并對其進行仿真校核，根據(jù)電機的振動、噪音等情況進行解析，電機仿真分析是電機設計與設計優(yōu)化可靠的依據(jù)及基礎。

【關鍵詞】JMAG軟件;電機仿真

近年來，釹鐵硼永磁材料性能不斷提高，價格隨著性能提高確反而有所下降，永磁電機普遍運用于國防、醫(yī)療、家用電器、新能源汽車等領域，而其永磁材料絕大部分是釹鐵硼，目前永磁電機往大功率化、輕量化、高速化、集成化等方向發(fā)展，是非常具有發(fā)展?jié)撃艿囊环N高功能設備，較于傳統(tǒng)電機它兼具的優(yōu)勢是多方面的，比如①由磁鋼直接產(chǎn)生氣隙磁密，結構在一定程度上簡化，運行更可靠、穩(wěn)定;②轉子損耗更低，電機可以達到盡量寬的高效率區(qū)間;③調(diào)速范圍寬;④轉動慣量小;⑤電機體積更小，具有更高的功率密度及轉矩密度。

一、JMAG軟件

JMAG軟件來自日本總研（JRI）開發(fā)的一款電磁場分析軟件且其功能非常齊全，在各國對其運用非常廣泛。

（一）JMAG軟件優(yōu)勢

1.操作界面非常人性化

JMAG將前后處理和運算界面聯(lián)結一塊，在操作上變得更加方便、簡單、易把握，用戶在短時間內(nèi)就可以進行電機基本性能的模擬培訓，這樣可以節(jié)省很多時間與人力資源;

2.網(wǎng)格剖分方便

JMAG軟件可以根據(jù)用戶的實質(zhì)需求情況進而提供不同的網(wǎng)格剖分，得到高精度剖分;

3.應用范圍廣

JMAG軟件可以對不同領域的不同電機、電磁設備進行精確的電磁場分析，為用戶提供電機設計及設計優(yōu)化幫助，縮短研發(fā)周期;

4.建?？旖莘奖?，材料庫齊全，模型精確高

無論任何復雜情況，JAMG能精確的創(chuàng)建與電磁場有相關的復雜模型，它具有巨大的各種不同材料數(shù)據(jù)庫以及擁有一套完善的各類劃分工具，JMAG軟件還可以引入許多其它軟件比如CAD、Solidworks、Pro/E、UG、CATIA等的模型。保證產(chǎn)品在進行分析時得到準確結果，那么完整以及精細的電機模型是相當重要的，模型的精確性如果越高，那么所得的結果包含在模型尺寸以及屬性上的輕微差異的可能性就會越高;

5.求解器眾多，快捷方便

JMAG軟件具備各類電磁、溫度以及仿真等眾多的求解器，可以快捷、精確得出電磁場分析結果。

（二）快速的求解器

在進行模型仿真分析時，計算速度是用戶的重點考慮因素。而在設計模型的流程中，有了快速的求解器作為前提，就可以在被限制的時間內(nèi)，容許有更多的要素被商討。同時，設計模型的流程中存在繁雜的參數(shù)，參數(shù)越多越有利，利用其作為條件，就可以商議更多的設計方案，有諸多的方案，代表有更多的選擇，進而從中選擇一個最佳牢靠的設計。而JMAG軟件的快速求解器正是可以達到精確、可靠的設計要求，求解器速度的大小還影響著產(chǎn)品的精確性，同時，快速的求解器可以保證產(chǎn)品的高效性?？上攵?，求解器的速度是與我們所獲得產(chǎn)品的精確性與高效性是密不可分的。當今市場產(chǎn)品競爭激烈，打造高效的產(chǎn)品與提高產(chǎn)品質(zhì)量才能尋求發(fā)展空間。當下，JMAG軟件是運用最新的計算技術，所以得到了相對于其他求解器達不到的計算速度，其促使JMAG求解器能夠完成復雜的尺寸與比較大型的3D模型的計算。另外，JMAG軟件選用了更強大的、快速的、且穩(wěn)定的迭代求解器，它是通過應用很多臺計算機一同解決相對復雜的實際問題，進而節(jié)省了用戶大量的計算時間。

二、JMAG電機仿真流程

1.創(chuàng)建幾何模型

在JMAG 軟件中有很多種方法進行建模，主要有以下3中方法：

①在GeometryEditor上進行繪制;

②在JMAG-Express里建立相關參數(shù)進行建模;

③利用通CAD導入的方式進行建模。

2.定義材料

定義材料，即把對應材料的物理屬性放在建好模型相應的位置，可以通過劃分工具在JMAG材料數(shù)據(jù)庫中直接選取，也可以自行新建材料，或在原材料基礎上編輯輸入不同的材料屬性。

3.定義條件

定義條件以下面三個為主：

①電機運行模式;

②電機線圈電流方向;

③電機的邊界條件。

4.定義電路

對電機電路連接形式以及電路限制方向進行設置。

5.網(wǎng)格劃分

將已建好的模型進行網(wǎng)格剖分，有助于有限元的快速計算。

6.分析計算

利用計算機把建好的電機模型進行計算的一個過程。

7.查看結果

對計算機計算出電機的仿真參數(shù)進行檢查和分析。

根據(jù)本文所要探究的基于JMAG 軟件的建模仿真內(nèi)容，那么，選擇電機參數(shù)就要根據(jù)下面幾點。

（一）極對數(shù)

公式n=60f p，n代表電機的轉速;p代表電機極對數(shù);f代表電機工作頻率;根據(jù)公式可以知道電機的轉速n是由電機的極對數(shù)p以及電機工作頻率f兩者大小決定的，而頻率越高，單位鐵芯材料的鐵損也越高，需要根據(jù)電機轉速合理選擇電機極對數(shù)以及相應的電機工作頻率。

（二）永磁體尺寸

永磁電機由磁鋼直接產(chǎn)生氣隙磁密，永磁體尺寸對電機氣隙磁密大小產(chǎn)生決定性的影響，具體永磁體尺寸要根據(jù)電機的具體性能條件情況而定，一般永磁體的厚度是電機氣隙長度的5～10倍，永磁體寬度為電機極距的0.5～0.8倍。

（三）永磁電機的極弧系數(shù)

永磁電機的極弧寬度與極距兩者的比值為極弧系數(shù);極弧系數(shù)的大小是由永磁電機磁場的曲線分布情況而定，勵磁磁勢的曲線分布情況就決定了極弧系數(shù)的大小;在進行極弧系數(shù)的選擇時應當讓勵磁磁勢的波形接近于正弦波。

三、仿真分析

（一）永磁電機的共振

系統(tǒng)共振有很多頻率點，而特征頻率產(chǎn)生于一個維持其正常工作時呈現(xiàn)出最低與最高的點，就是通常說的截止頻率。特征頻率的每一個值都極有可能引起系統(tǒng)共振的頻率點，這些頻率點越多越不利，如果系統(tǒng)一旦出現(xiàn)共振的情況，那么整個系統(tǒng)將會發(fā)生結構形變，結構形變的覆蓋面很大，從而導致所做的產(chǎn)品失效。其實，在進行振動分析的目的就是為了盡可能的避開出現(xiàn)的特征頻率點。

（二）永磁電機的振動和噪聲

JMAG 軟件的仿真精度高，它能仿真出永磁電機里每一個部件的振動位移以及振動速度，還有振動加速度，同樣也能仿真出產(chǎn)品里每一個區(qū)域聲壓級的分布情況。下面淺談電機振動的缺陷或危害：

1.振動需要消耗更多能量，進而導致電機的工作效率下降;

2.發(fā)生振動時，它會對電機的軸承造成損傷，從而加大電機軸承的磨損速度，降低軸承的壽命周期;

3.振動也對其他元器件或設備的運轉產(chǎn)生損害的情況。

（三）電機振動的產(chǎn)生主要有三個來源：

1.電磁方面，主要是由電源、定子和轉子故障所產(chǎn)生，因交變電磁力的作用下，引起電機的定子、轉子之間產(chǎn)生振動。

2.機械方面，主要是由電機本身以及聯(lián)軸器配合所產(chǎn)生;

3.機電混合方面，空氣噪聲，空氣噪聲有來自轉動部件與空氣發(fā)生摩擦而發(fā)出的噪音，機械噪聲加上電磁噪聲，這些都是產(chǎn)生振動且伴隨噪音的來源。

（四）減少噪聲的策略

1.合理選取定子槽型、轉子永磁槽型，降低諧波分量;

2.采用斜槽，定子斜槽或轉子斜極;

3.合理選用軸承、軸承油脂及軸承油隙;

4.合理設計電機零部件公差及配合精度;

5.提高轉動部件動平衡精度及表面光潔度。

四、結 論

通過JMAG 軟件的來源與仿真介紹，了解其作用以及分析電機的共振、電機振動與噪聲的危害，然后進行刨根問底后，理解產(chǎn)生緣由并簡單列出相應的對策，分析這些情況將對電機設計與設計優(yōu)化有著重要的參考價值。

參考文獻：

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[3]李相盈.基于JMAG軟件的永磁電機的結構分析[J].通信電源技術，2017（4）.

（作者單位：佛山市順德區(qū)金泰德勝電機有限公司）